KR20100026145A - 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 적용되는 강선 또는 강봉을 적용하는 구조물의 긴장력 저하 여부를 그대로 반영한 상태에서 교량, 지반 보강, 대형 구조물, 빌딩 등의 현장 또는 크레인, 대형기계 등의 기계 구조물에서 측정할 수 있고, 천공된 앵커 헤드나 천공된 쐐기에 Bare FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유 센서가 삽입된 상태로 출시함에 따라, 현장에서 별도의 가공 없이 사용될 수 있는 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법이 제공된다. FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법은, 강선 또는 강봉을 적용하는 구조물의 긴장력(Pre-Stress) 손실량을 측정하는 긴장력 또는 변형량 측정 방법에 있어서, a) 구조물의 체결부재에 적어도 하나 이상의 미세한 천공부(Hole)를 천공하는 단계; b) FBG 광섬유 센서를 천공부에 관통 삽입하는 단계; c) FBG 광섬유 센서가 삽입된 천공부를 수지(Resin) 또는 접착제로 영구 고정시키는 단계; d) FBG 광섬유 센서를 통해 긴장 강봉의 헤드 너트 또는 긴장 강선의 정착구의 응력(Stress) 변화를 측정하는 단계; 및 e) 응력 변화와 긴장력의 상관 관계에 따라 긴장력 변화를 산출하는 단계를 포함한다.
긴장력 측정, 변형량, FBG 광섬유 센서, 프리스트레스, 육각 너트, 정착구
Description
본 발명은 긴장력 또는 변형량 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 적용되는 강선(Strand)이나 강봉(Steel Bar)의 긴장력(Pre-Stress) 손실량을 측정하도록 광섬유 브래그 격자 센서(FBG Sensor)를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법에 관한 것이다. 이하, 광섬유 브래그 격자 센서는 FBG 광섬유 센서를 말한다.
일반적으로, 프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 도입된 강선 또는 강봉의 긴장력(Pre-Stress: 프리-스트레스) 손실량 등을 측정하기 위한 방법으로서, 진동법에 의한 측정 방법, 노출 시험에 의한 측정 방법 등이 있다.
진동법에 의한 측정 방법은 실내 실험에 적합할 뿐이며, 공용중인 구조물에 적용할 경우, 노이즈 등 선결해야 할 많은 문제점이 있다.
노출 시험에 의한 측정 방법은 PC(Prestressed Concrete)에 도입된 강연선 등을 노출시켜 긴장력을 측정해야 한다는 점에서 콘크리트 일부를 파쇄해야 한다는 문제점이 있다.
또한, 이러한 측정 방법들은 이미 제작된 콘크리트 구조물에 있어서, 센서 등을 구조물 표면에 임의로 설치하고, 도입된 긴장력 또는 손실된 긴장력을 측정하기 때문에 신뢰성에 있어 매우 불확실할 수밖에 없었고, 이러한 불확실성에 따른 잘못된 측정 결과에 의하여 재긴장을 실시하는 경우, 구조물에 치명적인 하중 불균형이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 이러한 문제점들을 해결하기 위해 광섬유 센서의 광량 변화량을 계측수단을 이용하여 검측함으로써, 구조부재의 내력 변화를 확인할 수 있는 방법이 제공되었다.
관련 기술로서, 대한민국 공개특허공보 제2008-35145(2006년 10월 18일 출원)에는 "광섬유 센서를 이용한 신축성 구조부재"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다. 선행 문헌은, 레진을 포함하는 접착수단을 이용하여 신축성 구조부재 표면의 전장 또는 일부에 걸쳐, 롤 형태로 감아져 취급이 용이한 광섬유가 형성된 부착시트를 일체화시켜, 신축성 구조부재의 변형에 따른 광섬유 센서의 광량 변화량을 계측수단을 이용하여 검측함으로써, 신축성 구조부재의 내력 변화를 상시 확인할 수 있는, 광섬유 센서를 이용한 신축성 구조부재의 성능 진단 방법에 관한 것이다. 이하, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 선행 문헌에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 긴장력을 측정하기 위한 광섬유가 부착된 부착시트를 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 정착장치에 형성된 정착홀 에 광섬유가 연장 설치된 것을 나타내는 도면이다.
도 1a는 마디(11)와 리브(12)가 표면에 형성된 철근 구조부재(10)에 광섬유(21)가 일체화되는 상태를 도시한 것으로, 먼저 광섬유(21)가 부착시트(22)에 미리 부착된다. 이때, 상기 부착시트(22)는 일정한 내구성을 요구하고, 롤 형태로 감아져 형성될 수 있으므로 취급이 간편한 탄소섬유 시트, 유리섬유 시트를 이용할 수 있다.
이러한 부착시트(22)에 광섬유(21)가 일체화되도록 부착하게 되며, 이때, 접착성 테이프를 이용하거나 다른 수단에 의해서도 부착할 수 있다. 또한, 광섬유(21)를 보호하기 위해서 광섬유(21)를 코팅할 수 있으며, 이러한 코팅 이외의 방법으로서 보호시트(23)를 이용할 수도 있다.
도 1b를 참조하면, 통상적으로 PC 강연선에 도입된 긴장력의 손실은 정착장치로부터 PC 강연선의 단부가 이완됨으로써 발생하는 경우가 대부분이므로, 정착장치(30)에 형성된 정착홀에 광섬유(21)가 연장되어 설치되고, 이러한 정착장치에 연장된 광섬유(21)에 상기 계측수단(40)이 연결될 수 있다.
이러한 정착장치(30)는 긴장 방법에 따라 구조물 내부에 함께 매립될 수도 있고, 외부로 일부 노출될 수도 있는데, 만약 매립된 경우에는 연장된 광섬유(21)에 계측 수단(40)을 연결하면 되고, 외부로 노출된 경우에는 정착장치(30)에 직접 계측수단(40)을 설치할 수 있다.
그러나 선행 문헌에 따르면, 광섬유(21)가 부착시트(22)에 부착된 상태에서 철근 구조부재(10)에 부착되기 때문에 부착시트(22)가 떨어질 우려가 있으며, 또한 현장에서 부착시트(22)를 철근 구조부재(10)에 부착하도록 별도 가공해야 한다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 도입된 강선 또는 강봉의 긴장력 저하 여부를 그대로 반영한 상태에서 현장에서 정확하게 측정할 수 있는 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 천공된 앵커 헤드나 천공된 쐐기에 Bare FBG 광섬유 센서가 삽입된 상태로 출시함에 따라, 현장에서 별도의 가공 없이 사용될 수 있는 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 기존의 FBG 광섬유 센서가 설치되어 있지 않은 경우에도 현장에서 직접 천공 및 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입하고 고정하기 위한 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 신설되는 PSC 구조물의 강선 또는 강봉에 적용할 경우, 각 PSC 구조물에 적용되는 강선 또는 강봉의 긴장력에 대하여 표준화된 긴장력을 측정할 수 있는 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또 는 변형량 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법은, 프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉의 긴장력(Pre-Stress) 손실량을 측정하는 긴장력 또는 변형량 측정 방법에 있어서, a) 상기 구조물의 체결부재에 적어도 하나 이상의 미세한 구멍을 천공하는 단계; b) 상기 천공부에 FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유 센서가 관통하도록 삽입하는 단계; c) 상기 FBG 광섬유 센서가 삽입된 천공부를 수지(Resin) 또는 접착제로 영구 고정시키는 단계; d) 상기 FBG 광섬유 센서를 통해 상기 긴장 강봉의 헤드 너트 또는 긴장 강선의 정착구의 응력(Stress) 변화를 측정하는 단계; 및 e) 상기 응력 변화와 긴장력의 상관 관계에 따라 긴장력(Pre-Stress) 변화를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 a) 단계의 구조물의 체결부재는 긴장 강봉의 헤드 너트 부분, 긴장 강선의 정착구, 앵커 헤드 또는 쐐기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 구조물의 체결부재에 외부 커넥터 연결부 또는 피그테일로 연결하여, 광섬유 인터로게이터에 의해 긴장력 변화를 측정할 수 있다.
여기서, 상기 a) 단계의 천공부는 보다 정밀한 긴장력 또는 변형량 값을 도출하도록 상기 구조물의 체결부재의 구조적 성능에 영향을 끼치지 않는 범위 내에서 다수 개가 형성되며, 상기 다수의 천공부 각각에 상기 FBG 광섬유 센서가 관통 삽입되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다수의 천공부에 설치된 FBG 광섬유 센서들의 측정값들의 평균값으로 긴장력 또는 변형량 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 FBG 광섬유 센서는 Bare FBG 광섬유 센서이며, 상기 Bare FBG 광섬유 센서는 다수의 강선 스트랜드(Strand)의 꼬인 선을 따라 상기 구조물의 체결부재 내에 매립될 수도 있다.
여기서, 상기 다수의 강선이 매설된 PSC 보 또는 PSC 박스인 경우, 천공부가 천공된 쐐기 또는 앵커 헤드에 상기 Bare FBG를 내장시켜, 하나의 거더(Girder)에 있는 모든 강선의 긴장력 변화를 동시에 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, PSC 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉의 긴장력 저하 여부를 그대로 반영한 상태에서 현장에서 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 대부분의 구조물 체결부재인 천공 대상 부재(앵커 헤드, 쐐기, 육각 너트 등)는 표준화된 규격품으로 제작되므로, 천공된 앵커 헤드나 천공된 쐐기에 Bare FBG가 삽입된 상태로 출시될 수 있고, 이에 따라 현장에서 별도의 가공이 필요 없게 된다.
본 발명에 따르면, 외부 연결용 커넥터 또는 피그테일을 이용하며, PSC 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉을 콘크리트 내에 매설하더라도, 적절한 방식으로 커넥터를 외부에 노출시켜 상시적인 긴장력 또는 변형량을 측정할 수 있다. 예를 들면, 커넥터를 교량 상단까지 연장시키게 되면, 굳이 교량 하단으로 관리자가 이동 할 필요 없이, PDA 단말기 또는 휴대용 FBG 인터로게이터를 이용하여 교량 상부에서 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 신설되는 PSC 구조물의 강선 또는 강봉에 적용할 경우, 각 PSC 구조물에 적용되는 강선의 긴장력에 대하여 표준화된 긴장력을 측정할 수 있으며, 특히, 신설되는 교량의 초기 긴장력부터 측정이 가능하며, 현재 준공되어 있는 PSC 구조물의 강선 또는 강봉이라도, FBG 광섬유 센서가 삽입된 구조물 체결부재를 설치하면, 현재 상태에서의 긴장력 손실량을 비교적 정확하게 측정할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
먼저, 도 2a 내지 도 4b를 참조하여, 일반적인 광섬유 센서에 대해 설명하기로 한다.
일반적으로, 계측 시스템에 사용되는 센서로서 광섬유 센서가 많이 이용된다. 이러한 광섬유 센서는 광섬유 및 계측수단으로 구성될 수 있다.
도 2a는 일반적인 광섬유의 구조 및 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b 는 광섬유의 측정 범위에 따른 광섬유 센서의 종류를 나타내는 도면이다.
도 2a를 참조하면, 광섬유는 통상적으로 입사된 광이 전반사가 이루어지도록 굴절률이 서로 다른 코어(Fiber Core: 51), 클래딩(Cladding: 52), 이러한 코어(51) 및 클래딩(52)을 보호하기 위한 폴리머코팅(53) 및 재킷(54)으로 구성될 수 있다.
이러한 광섬유를 이용하는 광섬유 센서는 그 측정 범위에 따라, 도 2b에 도시된 바와 같이, 일점형(60), 분포형(70) 및 다중형(80) 방식의 광섬유 센서로 분류될 수 있다.
일점형 광섬유 센서(60)는 광섬유 센서가 장착된 부위의 변형률, 온도 및 압력 등의 변화량을 측정하기 위한 것으로, 그 구조가 간단하다는 장점이 있지만, 복수개의 부위를 대상하는 경우, 여러 부위에 광섬유 센서를 장착시킬 필요가 있으므로 용도가 제한적이라는 단점이 있다.
분포형 광섬유 센서(70)로서는 광 시간 영역 반사 측정법(Optical Time Domain Reflectometry: OTDR)이 대표적이다. 이는 단일 광섬유를 이용하여 구조물의 전체적인 거동을 측정하는 데 유용하다는 장점이 있다. OTDR은 광섬유를 통하여 광 펄스가 전송된 결과에 따라 산란과 반사에 의해 입력 측으로 되돌아오는 광을 시간의 함수로 하여 광 강도 변화를 측정하는 방법을 말한다.
다중형 광섬유 센서(80)는 하나의 광섬유 센서에 2개 이상의 일점형 광섬유 센서가 설치되어 있는 형태로서 FBG 광섬유 센서(Fiber Bragg Grating Sensor: 브래그 격자 광섬유 센서)가 이에 해당된다.
도 3은 일반적인 광섬유 센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 구조부재(10)에 긴장력이 도입되기 이전에 광섬유 센서(20)의 광섬유(21)가 먼저 부착되어 설치된다. 이에 광섬유(21)에는 일정한 펄스광이 계측수단(40)을 구성하는 펄스광 출력부(41) 및 레이저다이오드(42)에 의하여 입사 될 수 있다.
이때, 상기 신축성 구조부재(10)에 긴장력이 도입되면, 구조부재(10)는 그 길이(L)가 늘어나게 된다. 이때 광섬유(21)가 상기 구조부재(10)에 고정되어 있으므로 역시 함께 길이가 ΔL만큼 늘어나게 되며 이는 광섬유의 단면적을 줄어들게 하고 입사된 펄스광(C)을 감소시키게 된다.
또한, 긴장력이 구조부재(10)에 도입된 상태에서, 시간이 경과하게 되면 자연스럽게 도입된 긴장력이 손실되는 현상이 발생하는 데(시간 경과에 따른 프리스트레스 손실이라 한다.), 이러한 긴장력 손실에 의하여 구조부재(10)는 다소 그 길이가 ΔL만큼 줄어들게 되며, 이에 따라 광섬유(21)도 단면적이 다소 늘어나게 되어 입사된 펄스광(C)을 증가시키게 된다.
구조부재(10)가 신축에 따라 입사된 펄스광(C)의 감소 및 증가에 의한 전기적인 신호값을 측정하고, 측정된 신호값을 통해 구조부재(10)에 도입된 긴장력의 변화량을 추정할 수 있다.
이러한 추정은 광섬유에 연결된 펄스발생수단(41), 레이저다이오드(42), 커플링수단(43), 광 검출부(44), 이러한 전기적인 신호를 증폭하는 증폭기(45), AD 컨버터(46), 신호처리부(47) 함께 설계자에 의하여 다양하게 고안될 수 있는 분석 프로그램 및 데이터를 포함하는 분석수단(48) 및 디스플레이부에 의하여 대비되어 분석될 수 있을 것이다.
결국, 광섬유 센서(20)는 구조부재(10)에 긴장력이 도입되기 이전에 미리 고정 설치되기 때문에, 구조부재(10)의 신축(변형)에 대하여 측정값을 도출시킴에 따라 필요한 긴장력 손실 또는 변형량 등을 측정할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 구조 및 원리를 예시하는 도면들이다.
도 4a는 FBG의 원리를 도시한 것으로, 클래딩(81) 및 코어(82)로 이루어진 광섬유(80)에 광원을 입사시킬 경우, 브래그 조건에 의한 특정한 파장 성분은 광섬유 브래그 격자(83)에서 반사되고, 나머지 파장 성분은 그대로 통과한다.
이때, 광섬유 브래그 격자(83)에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서, 광섬유 브래그 격자(83)에 단거리 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우, 이들 값에 의하여 브래그 파장이 달라진다. 이 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정함으로써, 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량이 구해질 수 있다.
FBG 광섬유 센서(80)는 측정량이 브래그 반사파장의 변화량이므로 측정이 간편하며, 광섬유 브래그 격자(83)의 반사 파장의 선폭이 좁기 때문에 분해능이 높은 센서를 구성할 수 있다. 또한, 브래그 반사파장이 서로 다른 광섬유들은 서로 영향을 받지 않으므로 하나의 광섬유를 이용한 다중점 측정이 가능하다.
도 4b를 참조하면, FBG 광섬유 센서(80)는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격 자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자(83)의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자(83)가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장 분할 방식이라 한다.
브래그 파장( λ B )은 λ B = 2nΛ 에 의해 구해질 수 있는데, 여기서, n은 광섬유 코어의 유효 굴절률(effective refractive index)이며, Λ는 격자(83)와 격자(83) 사이의 간격(grating period)이다.
격자(83)에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, FBG 광섬유 센서(80)에 외부 물리량을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 FBG에 인가된 물리량을 구할 수 있다.
FBG 광섬유 센서(80)의 가장 큰 응용 중의 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것이다. 예를 들면, 교량, 댐, 건축물 등의 제작시에 콘크리트 내에 FBG 광섬유 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도를 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예로서, PSC 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉의 긴장력 저하 여부를 그대로 반영한 상태에서 현장에서 측정할 수 있도록, 구조물에 연결된 긴장 강봉(Steel Bar)의 헤드 너트 부분 또는 긴장 강선(Strand)의 정착구에 미세한 구멍을 뚫고, 그 부분에 FBG 광섬유 센서를 관통 설치함으로써 긴장력 손실량을 측정할 수 있는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법이 제공된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예로서, 긴장 강봉(Steel Bar)의 헤드 너트 부분 또는 긴장 강선(Strand)의 정착구에 미세한 구멍을 뚫고, 그 부분에 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입하여 수지 또는 접착제로 영구 고정시킴으로써, 해당 부분의 응력 변화를 관측하고, 응력 변화와 긴장력 사이의 상관 관계를 통하여 현재 구축되어 있는 구조물의 긴장력 변화를 파악할 수 있는 방법이 제공된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 예시하는 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서(300)는 긴장 강봉의 헤드 너트 부분 또는 긴장 강선의 정착구에 형성된 천공부에 관통 삽입되어, 긴장 강봉이나 긴장 강선의 긴장력 손실량 등을 측정하게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입할 수 있도록 구멍이 천공된 육각너트를 예시하는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입할 수 있도록 구멍이 천공된 정착구를 예시하는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 육각너트(100)는 Bare FBG 광섬유 센서(300)를 삽입할 수 있도록 구멍, 즉 천공부(120)가 천공되며, 이때, 상기 육각 너트(100)에는 외부 연결용 커넥터(110) 또는 피그테일이 별도 설치되며, PSC 구조물의 강선 또는 강봉을 콘크리트 내에 매설하더라도, 적절한 방식으로 커넥터(110)를 외부에 노출시킴으로써 상시적으로 긴장력 또는 변형량을 측정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 정착구(200)는 Bare FBG 광섬유 센서(300)를 삽입할 수 있도록 천공부(220)가 천공되며, 이때, 상기 정착구(200)에 외부 연결용 커넥터(210) 또는 피그테일이 별도 설치될 수 있다.
도 6 및 도 7에는 4개의 천공부(120, 220)가 각각 천공되는 것으로 예시되었지만, 이에 국한되지 않고, 대상 부재의 여건에 따라 1개를 천공할 수도 있고, 구조적 성능에 큰 영향을 끼치지 않는 범위 내에서 많은 천공부를 천공할수록 보다 정밀한 긴장력 또는 변형량 값을 도출할 수 있다.
이러한 육각 너트(100), 정착구(200), 앵커 헤드 및 쐐기를 포함하는 대부분의 천공 대상 부재는 표준화된 규격품으로 제작되므로, 천공된 앵커 헤드나 천공된 쐐기에 Bare FBG(300)가 삽입된 상태로 출시될 수 있고, 이에 따라 현장에서 별도로 가공할 필요 없이 긴장력 또는 변형량을 간편하게 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법의 개략적인 동작흐름도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법은, 먼저, 프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉의 긴장력(Pre-Stress) 손실량을 측정하도록, 상기 구조물의 체결부재, 예를 들면, 긴장 강봉의 헤드 너트 부분(100) 또는 긴장 강선의 정착구(200)에 적어도 하나 이상의 미세한 천공부(120, 220)를 천공한다(S110). 상기 구조물의 체결부재는 긴장 강봉의 헤드 너트 부분(100)이나 긴장 강선의 정착구(200) 이외에도 앵커 헤드 또는 쐐기를 포함 할 수 있다.
또한, 상기 구조물의 체결부재에 외부 연결용 커넥터(110, 210) 또는 피그테일이 별도 설치됨으로써, PSC 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉을 콘크리트 내에 매설하더라도, 적절한 방식으로 커넥터(110, 210)를 외부에 노출시킬 수 있으며, 광섬유 인터로게이터에 의해 긴장력 변화를 측정할 수 있다. 즉, 커넥터(110, 210)를 교량 상단까지 연장시키게 되면, 굳이 교량 하단으로 관리자가 이동할 필요 없이, PDA 단말기 또는 휴대용 FBG 인터로게이터를 이용하여 교량 상부에서 긴장력을 측정할 수 있다.
다음으로, 상기 천공부(120, 220)에 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG) 센서(300)를 관통 삽입한다(S120). 또한, 대상 구조물의 여건에 따라 1개를 천공하거나 상기 구조물의 체결부재의 구조적 성능에 큰 영향을 끼치지 않는 범위 내에서 많은 천공부(120, 220)를 천공할수록 보다 정밀한 긴장력 값을 도출할 수 있다. 상기 다수의 천공부(120, 220) 각각에 상기 FBG 광섬유 센서(300)가 관통 삽입되며, 상기 다수의 천공부에 설치된 FBG 광섬유 센서들(300)의 측정값들의 평균값으로 긴장력 값을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 FBG 광섬유 센서는 Bare FBG 광섬유 센서일 수 있고, 상기 Bare FBG 광섬유 센서는 강선 스트랜드(Strand)의 꼬인 선을 따라 상기 구조물의 체결부재 내에 매립될 수 있다.
다음으로, 상기 FBG 광섬유 센서(300)가 삽입된 천공부(120, 220)를 수지(Resin) 또는 접착제로 영구 고정시킨다(S130). 즉, 천공부(120, 220) 내에 관 통 삽입된 FBG 광섬유 센서(300)가 임의적으로 움직이지 않도록 수지 또는 접착제를 사용한다.
다음으로, 상기 FBG 광섬유 센서(300)를 통해 상기 긴장 강봉의 헤드 너트(100) 또는 긴장 강선의 정착구(200)의 응력(Stress) 변화를 측정한다(S140).
결국, 상기 응력 변화와 긴장력의 상관 관계에 따라 상기 긴장 강봉의 헤드 너트(100) 또는 긴장 강선의 긴장력(Pre-Stress) 변화를 산출할 수 있고(S150), 이에 따라 PSC 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉의 긴장력(Pre-Stress) 손실량을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 FBG 광섬유 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법에서, 여러 개의 강선이 매설된 PSC 보 또는 PSC 박스의 경우, 천공된 쐐기 또는 앵커 헤드에 BARE FBG를 내장시켜, 광센서의 특성을 최대한 활용하여 하나의 거더(Girder)에 있는 모든 강선의 긴장력 변화를 동시에 측정할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 육각너트 및 정착구에 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입한 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구조물 체결부재인 육각너트(100) 및 정착구(200) 각각에 천공부(120, 220)를 실제로 천공하고, 상기 천공부(120, 220)에 Bare FBG 광섬유 센서(300)를 관통 삽입한 후, 수지 또는 접착제로 고정한 것을 나타내는 사진이다. 이후, 상기 육각너트(100) 및 정착구(200) 각각은 구조물, 예를 들면, 긴장 강봉 또는 긴장 강선에 각각 체결될 수 있다. 여기서, 상기 정착구(200)는 모노콘을 나타낸다.
이때, 대부분의 구조물 체결부재인 천공 대상 부재(앵커 헤드, 쐐기, 육각 너트 등)는 표준화된 규격품으로 제작될 수 있으므로, 천공된 앵커 헤드, 천공된 쐐기에 Bare FBG가 삽입된 상태에서 제품화될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 멀티콘에 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입한 것을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멀티콘(400)은, 앵커 헤드(410), 쐐기(420), 천공부(430), 강연선(440), 그라우트(Grout) 주입구(450), 지압판(460) 및 덕트(470)로 구성될 수 있는데, 이때, 미세한 천공부(430)가 앵커 헤드(410)에 천공되거나, 쐐기(420)에 천공될 수 있다. 또한, Bare FBG가 관통 삽입된 상기 천공부(430) 내에 수지 또는 접착제로 고정시킬 수 있다.
이러한 멀티콘의 경우, 2개 혹은 4개의 쐐기(420) 덮개에 천공을 한 상태에서 Bare FBG 광섬유 센서를 통하여 긴장력 또는 변형량을 측정한 값의 평균을 내면 거의 정확한 긴장력 또는 변형량의 변화 값을 산출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 이용하여 긴장력을 측정하는 방법이 수행되는 실험 전경을 예시하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 이용하여 긴장력을 측정하기 위해서, 예를 들면, 강봉(510)에 상단 모노콘(520) 및 하단 모노콘(530)을 각각 체결한 후, Bare FBG 광섬유 센서를 통해서 상단 모노콘(520) 및 하단 모노콘(530)의 하중에 따른 변형률, 즉, 긴장력을 측정하는 것을 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 앵커 헤드 및 육각 너트에서 하중에 따른 변형률을 측정한 실험결과를 예시하는 도면들이다.
도 12a는 앵커 헤드의 하중에 따른 변형률을 나타내며, 도면부호 a는 상단 모노콘의 변형률을 나타내고, 도면부호 b는 하단 모노콘의 변형률을 나타내고, 도면부호 c는 상단 모노콘 및 하단 모노콘의 변형률 평균값을 나타낸다. 도 12b는 육각 너트의 하중에 따른 변형률을 나타내는데, 도면부호 a는 수평 홀 너트의 변형률을 나타내고, 도면부호 b는 수직 홀 너트의 변형률을 나타낸다.
이와 같이, 실제로 강성이 큰 앵커헤드 또는 육각 너트지만, 민감도가 높은 본 발명에 따른 FBG 광섬유 센서의 특성을 고려할 때, 효과적으로 변형률 값이 도출되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법이 신설되는 PSC 구조물의 강선 또는 강봉에 적용된다면, 각 PSC 구조물에 적용되는 강선 또는 강봉의 긴장력에 대하여 표준화된 긴장력을 측정할 수 있다. 특히, 신설되는 교량의 초기 긴장력부터 측정이 가능하며, 이미 준공되어 있는 PSC 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉이라도, FBG 광섬유 센서가 삽입된 구조물 체결부재를 설치하면, 현재 상태에서의 긴장력 손실량을 비교적 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 외부 긴장재 도입 시에도 효과적으로 활용할 수 있다. 또한 강봉이 도입된 지중 구조물의 경우, 강봉에 도입되는 응력 변화 여부에 따라 사면 거동 여부를 파악할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예를 교량을 대상으로 설명하였으나, 지반 사면 보강, 대형 구조물, 빌딩, 기계 구조물(크레인, 대형기계 등) 등 정착단 또는 너트로 고정되는 유형의 모든 곳에 적용될 수 있다. 특히, 센싱 너트는 기계 구조물 등에서 보다 광범위하게 사용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 긴장력을 측정하기 위한 광섬유가 부착된 부착시트를 나타내는 도면이고, 도 1b는 종래의 기술에 따른 정착장치에 형성된 정착홀에 광섬유가 연장 설치된 것을 나타내는 도면이다.
도 2a는 일반적인 광섬유의 구조 및 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 광섬유의 측정 범위에 따른 광섬유 센서의 종류를 나타내는 도면이다.
도 3은 일반적인 광섬유 센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 구조 및 원리를 예시하는 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 예시하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입할 수 있도록 구멍이 천공된 육각너트를 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입할 수 있도록 구멍이 천공된 정착구를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법의 개략적인 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 육각너트 및 정착구에 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입한 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 멀티콘에 Bare FBG 광섬유 센서를 삽입한 것을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 Bare FBG 광섬유 센서를 이용하여 긴장력을 측정하는 방법이 수행되는 실험 전경을 예시하는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 앵커 헤드 및 육각 너트에서 하중에 따른 변형률을 측정한 실험결과를 예시하는 도면들이다.
< 도면부호의 간단한 설명 >
100: 육각너트 110: 외부 연결 커넥터
120: 천공부 200: 정착구
210: 외부 연결 커넥터 220: 천공부
300: Bare FBG 광섬유 센서(Bare FBG Sensor)
400: 멀티콘 410: 앵커 헤드
420: 쐐기 430: 천공부
440: 강연선 450: 그라우트(Grout) 주입구
460: 지압판 470: 덕트
510: 강봉 520: 상단 모노콘
530: 하단 모노콘
Claims (8)
- 프리-스트레스트 콘크리트(Pre-Stressed Concrete: PSC) 구조물에 도입되는 강선 또는 강봉의 긴장력(Pre-Stress) 손실량을 측정하는 긴장력 또는 변형량 측정 방법에 있어서,a) 상기 구조물의 체결부재에 적어도 하나 이상의 미세한 천공부(Hole)를 천공하는 단계;b) 상기 천공부에 FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유 센서가 관통하도록 삽입하는 단계;c) 상기 FBG 광섬유 센서가 삽입된 천공부를 수지(Resin) 또는 접착제로 영구 고정시키는 단계;d) 상기 FBG 광섬유 센서를 통해 상기 긴장 강봉의 헤드 너트 또는 긴장 강선의 정착구의 응력(Stress) 변화를 측정하는 단계; 및e) 상기 응력 변화와 긴장력의 상관 관계에 따라 긴장력(Pre-Stress) 변화를 산출하는 단계를 포함하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제1항에 있어서,상기 a) 단계의 구조물의 체결부재는 긴장 강봉의 헤드 너트 부분, 긴장 강 선의 정착구, 앵커 헤드 또는 쐐기를 포함하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제2항에 있어서,상기 구조물의 체결부재에 외부 커넥터 연결부 또는 피그테일로 연결하여, 광섬유 인터로게이터에 의해 긴장력 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제1항에 있어서,상기 a) 단계의 천공부는 보다 정밀한 긴장력 또는 변형량 값을 도출하도록 상기 구조물의 체결부재의 구조적 성능에 영향을 끼치지 않는 범위 내에서 다수 개가 형성되며,상기 다수의 천공부 각각에 상기 FBG 광섬유 센서가 관통 삽입되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제4항에 있어서,상기 다수의 천공부에 설치된 FBG 광섬유 센서들의 측정값들의 평균값으로 긴장력 또는 변형량 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제1항에 있어서,상기 FBG 광섬유 센서는 Bare FBG 광섬유 센서인 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제6항에 있어서,상기 Bare FBG 광섬유 센서는 다수의 강선 스트랜드(Strand)의 꼬인 선을 따라 상기 구조물의 체결부재 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
- 제7항에 있어서,상기 다수의 강선이 매설된 PSC 보 또는 PSC 박스인 경우, 천공부가 천공된 쐐기 또는 앵커 헤드에 상기 Bare FBG를 내장시켜, 하나의 거더(Girder)에 있는 모든 강선의 긴장력 변화를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 긴장력 또는 변형량 측정 방법.
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